Gymnasium Marktbreit/Wissenschaftswoche 2024/11aMatheInfo/Arbeitsgruppe 1/Gesellschaftlich relevantes Thema

Das Modell der Wettervorhersage

Ein gesellschaftlich relevantes Thema, bei dem eine Simulation zum Einsatz kommt, ist die Wettervorhersage .

Definition

Die Wettervorhersage ist eine Angabe über den wahrscheinlichen Verlauf des Wetters in der nächsten Zeit , besonders täglicher Bericht einer Wetterdienststelle über die voraussichtliche Entwicklung des Wetters in den nächsten 24 bis 36 Stunden . Der Wetterbericht wird von staatlichen und privaten Wetterdiensten geleistet .

Ziel

Das Ziel der Wettervorhersage ist die Prognose eines Zustandes der Atmosphäre zu einer bestimmten Zeit an einem bestimmten Ort oder in einem bestimmten Gebiet. Dabei wird die ganze Erdatmosphäre betrachtet nicht nur die Wettererscheinungen auf dem Boden.

Die Idee dahinter

Die grundlegende Idee einer Wetterprognose ist es, aus einem bereits vergangenen und dem aktuellen Zustand der Atmosphäre, unter Anwendung der bekannten physikalischen Regeln, einen Zustand in der Zukunft abzuleiten. Mathematische Modelle zur Wettervorhersage nutzen nichtlineare Gleichungen, wodurch kleine Änderungen große Auswirkungen haben können (Schmetterlingseffekt). Es gibt manuelle und numerische Vorhersagen, wobei oft eine Kombination verwendet wird, da numerische Modelle noch unzureichend sind. Um lokale Klimatologie zu berücksichtigen, werden statistische Verfahren wie Model Output Statistics (MOS) eingesetzt.Daten stammen von Bodenmessstationen, die Windgeschwindigkeit, Temperatur, Luftdruck, Luftfeuchtigkeit und Niederschläge messen, sowie von Radiosonden, Wettersatelliten, Verkehrsflugzeugen und Wetterschiffen. Die unregelmäßige Verteilung dieser Messungen, besonders in weniger entwickelten Ländern und über den Ozeanen, ist problematisch.

Verlässlichkeit

Aber wie verlässlich ist eine Wettervorhersage überhaupt? Heute ist eine Wochenprognose so zuverlässig wie vor dreißig Jahren eine Tagesprognose. Die 24-Stunden-Vorhersage hat eine Genauigkeit von über 90%, die 3-Tage-Vorhersage liegt bei über 75%. Die Zuverlässigkeit variiert stark je nach Wetterlage: Stabile Winterhochdrucklagen ermöglichen bis zu 90% Genauigkeit für eine Woche, während instabile Gewitterlagen im Sommer oft unter 70% für 24 Stunden liegen. Temperaturen sind genauer vorhersagbar als Niederschlag.Seit 1968 hat sich die Qualität der Vorhersagen des Deutschen Wetterdienstes (DWD) durch leistungsfähigere Rechner, verbesserte Modelle und Satellitendaten kontinuierlich verbessert. Ab 1978 konnten vier Vorhersagetage, ab 1991 sieben berechnet werden. 2008 war eine Sieben-Tage-Vorhersage genauer als die Zwei-Tage-Vorhersage von 1968. Laut DWD erreicht die Temperaturvorhersage für den nächsten Tag heute über 90% Genauigkeit, Windgeschwindigkeit über 95% und Niederschlagsmenge über 80%.

Geschichte

Die Abschätzung der Wetterentwicklung beschäftigt die Menschen seit Jahrtausenden und basiert auf intensiver Erfahrung und Forschung. Bereits im Altertum versuchte man, das Wetter vorherzusagen, da die Landwirtschaft stark von Niederschlag und Temperatur abhing. Bauernregeln und Lostage dienten dazu, die Jahreszeiten in wetterrelevante Abschnitte zu unterteilen und Vorhersagen abzuleiten.

Technische Fortschritte

Otto von Guericke entdeckte 1660 den Zusammenhang zwischen Luftdruckabfall und Unwettern. Die „Wetterdistel“ war ein frühes Hygrometer, das durch aufgerollte Blütenblätter auf erhöhte Luftfeuchtigkeit hinwies. Im 19. Jahrhundert ermöglichte die Ausbreitung der Telegraphennetze ab 1835 erste brauchbare Wetterprognosen durch die Übermittlung von Messdaten in Echtzeit. Francis Beaufort entwickelte die nach ihm benannte Wind-Skala, während Robert FitzRoy durch das Unglück der Royal Charter 1859 zur Wettervorhersage motiviert wurde. In den 1870er Jahren ermöglichte das ausgebaute Telegraphennetz synoptische Wettervorhersagen, unterstützt durch standardisierte Begriffe für Wetterlagen und Wolkentypen. Bis 1911 entwickelten sich nationale Wetterdienste, die durch Radioübertragungen wie 1911 vom britischen „Met Office“ erste Sturmwarnungen sendeten.

Funktion

Wetterextreme wie Hochwasser, Überflutungen, Hitzewellen und Dürren verursachen nicht nur menschliche Verluste, sondern auch enorme Sachschäden. Daher sind präzise Wettervorhersagen und Schutzmaßnahmen von entscheidender Bedeutung und werden zukünftig noch wichtiger. Trotz der Fortschritte in der Vorhersagbarkeit stoßen wir auf natürliche Grenzen: In den mittleren Breiten sind Prognosen für sieben bis zehn Tage im Voraus möglich, obwohl chaotische Wetterphänomene wie Gewitter schwer vorhersagbar sind. Die Verbesserung der Anfangsbedingungen, insbesondere bei großskaligen Faktoren wie Wind und Temperatur, könnte die Vorhersagegenauigkeit weiter steigern. Investitionen in die Atmosphärenbeobachtung, z.B. durch Satelliten, bieten großes Potenzial, die Vorhersagequalität erheblich zu verbessern und das intrinsische Limit von etwa zwei Wochen Vorhersagezeitraum zu erweitern.